全新相变材料助力实现“双碳”目标——石墨烯微纳腔相变均温板

“双碳”目标是我国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求所作出的重大战略决策。这一目标的实现，既涉及能源结构的优化调整，又涉及能源利用效率的提升与化石能源使用规模的减量，还与节能等减碳技术的发展应用密切相关。

相变材料（Phase Change Material, PCM）是我国践行“双碳”目标过程中极其重要的发展对象，有望成为节能环保的最佳绿色环保载体。具体地，PCM指在相变过程中吸收或释放大量能量以调控温度的一类储能材料。按相变类型，可分为固-固、固-液、固-气和液-气型PCM。基于实际应用的可操作性，其中，固-固和固-液两种类型的研究和应用较为常见。此外，按材料成分，PCM通常又可分为有机类、熔融盐类、合金类及复合类等，它们各自优劣势明显（表1）。其中，石蜡系材料是一种典型的固-液型有机PCM，其工作原理为：当环境温度高于相变温度时，材料吸收热量由固态转变为液态；而当环境温度低于相变温度时，材料释放热量由液态转变为固态释放热量，从而维持环境温度在适宜水平（图1）。

表1：相变材料分类及其优缺点对比分析

信息来源：储能科学与技术

图1 固-液相变基本过程（素材来源网络）

这类材料因具有较高潜热值和单位质量储能密度、相变温度范围广、应用方便、稳定性高、无毒、腐蚀性弱、过冷度低以及可重复利用等优点，成为理想的储能材料。同时，它们被广泛应用于太阳能转换及存储、电子产品热管理、建筑节能、废热利用和峰值电蓄热系统等领域。但是，常规的相变材料存在两个明显的缺点：（1）材料导热率低（仅有0.2W/（m·K）左右），极大地延缓了其吸收和释放热量的速度；（2）石蜡在使用过程中易发生泄露，熔化后石蜡的体积将增加十分之一，该现象会引起基质的收缩和破裂，导致产品无法使用甚至更多未知危害。

广东墨睿科技有限公司作为一家专门从事石墨烯等低维纳米材料应用开发的国家高新技术企业，围绕石墨烯研发矩阵在热管理、新能源、功能复合材料、生物大健康四大方向开展产业化布局。针对上述问题，墨睿科技研发团队开创性地将石墨烯三维结构化获得一种具有独特微纳腔结构的石墨烯膜片，使用石蜡等传统相变材料进行填充，开发出了一款全新的复合相变材料——石墨烯微纳腔相变均温板。该产品于2022年2月25日迎来行业首发，市场反响强烈。

努比亚首发微纳腔相变均温板视频

该产品由于其结构中独特的微纳腔体以及石墨烯自身强度高（拉伸强度130 GPa）、韧性好等特点，相变填料被很好地“锁”在骨架中，即使在多次发生相变时，也能极大程度上避免填料流失以及骨架的破坏，最终保证产品性能的稳定性（图2）。与此同时，石墨烯是目前已知导热系数（＞5300 W/mK）最高的材料，除了为相变填料提供稳定的支撑骨架之外，它的高导热特性有助于热源热量快速、均匀地转移至产品微纳腔结构之中，使得结构中的相变填料发生相变而进行高效的热量储存，产品整体热响应速率非常快，最终实现快速降温效果，从而减少电子产品等应用场景中能源过度的浪费或损耗。

图2 墨睿科技@石墨烯微纳腔相变均温板截面SEM图

截止目前，墨睿科技已实现多种不同厚度、相变温度等型号产品的规模化量产，且生产工艺稳定，客户可根据自身要求按需定制。该产品从根本上解决了相变材料自身导热系数不足、漏液以及基质收缩破裂的问题，同时产品性能表现出色且实用。以TCM-037型产品为例，其热焓值在200J/g以上，面内导热系数40W/(m·K)以上，且产品已通过REACH、RoHS、无卤素等环保检测认证（图3、图4）。在国家大力推进实现“双碳”目标的背景之下，墨睿科技研发团队将会继续努力，在不断优化现有产品及提升性能的同时，开发出更多、更好的节能环保材料，助力“双碳”目标的早日实现。